空燃比对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定性影响的数值研究

王 玮，肖俊峰，高 松，王 峰，李晓丰，胡孟起

空燃比对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定性影响的数值研究

王 玮，肖俊峰，高 松，王 峰，李晓丰，胡孟起

(西安热工研究院有限公司燃气轮机技术部，西安 710054)

针对某型燃气轮机旋流燃烧室，建立了全尺寸三维燃烧室数值模型，数值研究了空燃比对其扩散和预混燃烧稳定性的影响．结果表明，扩散燃烧模式下，保持燃烧室入口燃气总流量不变，空燃比变化对燃烧室压力脉动主频及燃烧稳定性影响较小．预混燃烧模式下，保持燃烧室入口燃气总流量不变，调整空燃比，燃烧室压力脉动振幅相对稳定；但空燃比增大，燃烧室压力脉动主频减小，燃烧不稳定增长时间缩短，燃烧稳定性相对变差；而空燃比降低，燃烧室压力脉动主频增加，燃烧不稳定增长时间增加，燃烧稳定性相对增强．

燃气轮机燃烧室；燃烧不稳定性；空燃比；燃烧不稳定增长时间；燃烧调整

燃烧不稳定是燃气轮机重点关注的问题之一.燃气轮机燃烧室出现燃烧不稳定，轻者会导致污染物排放升高、高温组件疲劳，重者直接导致高温组件失效，甚至损毁燃烧室部件[1-3]．

Lieuwen等[3-5]发现极小的化学当量比脉动会诱发较大的火焰热释放响应；Huang等[6-7]表明旋涡破碎、旋进涡核、燃烧火焰面变化等均会影响燃烧室的燃烧不稳定；Altay等[8]发现火焰和涡团之间的相互作用在特定条件下是影响燃烧动力学的主要因素；Kim等[9]和Lee等[10]则表明在安装有多个旋流喷嘴的燃烧室内喷嘴与喷嘴之间的相互作用是影响燃烧室燃烧稳定性的关键因素之一．在燃气轮机实际运行中，一般通过调整燃烧室空气流量和燃料流量实现燃气轮机燃烧稳定性控制[11-12]．

何敏等[13]对某燃气轮机燃烧室流量分配实验，获得了其流量分配特性曲线；Lee等[14]以燃烧室燃料流量、空气流量等参数为控制变量对某小型燃气轮机进行了燃烧调整实验，成功降低了燃烧室NO排放；Xing等[15]针对某微型燃气轮机燃烧室，采用一种可调燃料供给方法控制燃烧室燃料量，对其进行了燃烧实验和数值计算，获得了其污染物排放及燃烧室出口温度变化等特性参数．虽然上述研究通过控制燃烧室燃料流量和空气流量等参数，成功进行了燃烧调整实验，但并未涉及燃气流量配比等参数对燃气轮机燃烧稳定性的影响，其研究结果还需进一步补充完善．

本文参考某型燃气轮机单筒燃烧室，建立全尺寸数值模型，模拟其燃烧过程，探讨空燃比等参数对燃烧稳定性的影响，并重点分析空燃比变化对燃烧不稳定形成过程的影响．

1 数值方法

1.1 物理模型

图1是某型燃气轮机燃烧室的几何模型示意，其包含燃料喷嘴、火焰筒、导流衬套、过渡段等部件．燃烧室的燃料喷嘴由5个旋流喷嘴构成，具有扩散和预混两路燃料通道，在扩散燃烧模式和预混燃烧模式下分别由扩散及预混燃料通道向燃烧室注入天然气．

忽略燃烧室导流衬套冷却孔、过渡段壁面冷却孔以及火焰筒与导流衬套之间的夹层、过渡段内外壁面之间的夹层等对燃烧室内部流场的影响，仅对燃料喷嘴、火焰筒以及过渡段等部件的内部流体通道建模．图2是本文简化后的全尺寸三维数值模型示意图，其网格总量约700万．

参考该型燃气轮机燃料喷嘴的实际喷注方式，假设空气先由燃料喷嘴的环形通道注入燃料喷嘴，再进入火焰筒；以CH4代替天然气；在扩散燃烧模式下，CH4经扩散燃料通道注入火焰筒，并在火焰筒内与空气边混合边燃烧；在预混燃烧模式下，CH4由预混燃料通道注入燃烧室，并在燃料喷嘴的预混通道内与空气先混合，形成预混气，再进入火焰筒燃烧．

图1 某燃气轮机燃烧室几何模型

图2 简化燃烧室全尺寸模型及其网格示意

1.2 数值方法

本文所采用的质量守恒、动量守恒、能量守恒及组分守恒方程分别如下[16-19]：

计算过程中，假设所有固体壁面绝热无黏；采用5步CH4/空气反应机理，各基元反应见表1；采用有限速率/涡耗散模型模拟燃烧室组分输运过程．

表1 CH4/空气5步化学反应机理

Tab.1 Five-step CH4/air chemical reaction mechanism

1.3 边界条件

为研究空燃比变化对燃烧不稳定形成过程的影响，参考该型燃气轮机的实际运行数据，给定空气和CH4的流量、温度及压力等参数，并逐次调整燃烧室空燃比．各工况的边界条件参数见表2，表中空燃比AF表示进入燃烧室空气与CH4的质量比，且AF＝62.873及AF＝39.050的数据为该型燃气轮机的实际运行数据．

为减小燃气流量、燃烧室压力等参数对燃烧不稳定特性的影响，在扩散燃烧模式下维持燃烧室入口燃气总流量和压力不变，其数值分别为18.722kg/s和0.711MPa；在预混燃烧模式下同样维持燃烧室入口总流量和压力不变，其数值分别为27.390kg/s和 1.361MPa．

表2 边界条件

Tab.2 Boundaryconditions

2 数值结果和分析

2.1 扩散燃烧

图3是扩散燃烧模式下燃烧室的压力迹线．如图所示，在扩散燃烧方式下，燃烧室压力迹线类似于幅值逐渐缩小的正弦曲线．保持燃烧室入口流量不变，调整燃烧室空燃比，燃烧室压力脉动周期变化较小，维持在0.012s附近，其压力脉动振幅介于0.03～0.04MPa．

图3 扩散燃烧模式下燃烧室压力迹线

图4是对扩散燃烧模式下燃烧室压力迹线进行快速傅里叶变换(FFT)得到的燃烧室压力脉动频域信息，图中纵坐标代表燃烧室压力脉动频率的振幅．如图4所示，在扩散燃烧模式下保持燃烧室入口燃气流量不变，调整燃烧室空燃比，燃烧室压力脉动主频均在83Hz附近，变化较小；其主频的振幅介于0.0038～0.0062MPa，远小于燃烧室平均压力；燃烧室燃烧稳定性未发生明显变化，燃烧相对稳定．这主要是因为，保持燃烧室入口质量流量不变，调整燃烧室入口空燃比，燃烧室流场结构以及燃烧室喷嘴出口湍流度及雷诺数等参数变化较小，燃烧室内的涡旋脉动变化较小，不会引起明显的压力脉动变化；而且在扩散燃烧模式下，火焰面的当量比稳定在1.0附近[20]，燃烧室的释热率相对稳定；由于燃烧室释热率和压力脉动均相对稳定，两者之间的相互作用之间也相对稳定，燃烧室的燃烧稳定性变化较小，燃烧相对稳定．

图4 扩散燃烧模式下燃烧室压力脉动

2.2 预混燃烧

图5是预混燃烧模式下燃烧室压力迹线图．由于燃烧室压力脉动和热释放率之间的相互作用，燃烧室压力脉动的变化呈现稳定、增长以及非线性极限循环3个阶段[21-22]．如图5所示，在初始时刻，由于湍流，燃烧室压力出现低振幅脉动，其脉动幅值不超过燃烧室平均压力的1.5%，处于稳定燃烧阶段；随着压力脉动和热释放率之间相互作用，触发燃烧不稳定，燃烧室压力脉动振幅逐渐增长，直至达到某个极限值，形成非线性极限循环(简称循环)．

图5 预混燃烧模式下燃烧室压力迹线

图6是预混燃烧模式下，燃烧室压力脉动数据的FFT转化结果．保持燃烧室入口总流量不变，调整燃烧室入口空燃比，燃烧室压力脉动主频幅值变化较小，可以忽略不计．但调整空燃比，燃烧室压力脉动频率会发生明显的变化，如图6所示：空燃比由39.050增加至44.145时，燃烧室压力脉动主频由1970.9Hz降低至1770.9Hz，主频降低了10.1%；而空燃比由39.050降低至34.991时，燃烧室压力脉动主频由1970.9Hz增加至1984.9Hz，主频增加了0.7%．即在预混燃烧模式下，保持燃烧室入口总流量不变，增加燃烧室空燃比，燃烧室压力脉动主频率明显减小；而减小燃烧室空燃比，燃烧室压力脉动主频率略有增加．这主要是由于在预混燃烧模式下，调整燃烧室的空燃比改变了火焰面等流场结构，进一步影响了燃烧室的释热率．由于释热率和压力脉动之间的相互作用，释热率的变化进一步影响了燃烧室的压力脉动，改变了燃烧室的燃烧稳定性，影响了燃烧室压力脉动频率[4, 17, 21,23]．

图6 燃烧室压力脉动FFT结果

通过短时傅里叶变换(STFT)可以获得燃烧室压力脉动频率及其振幅随时间的变化信息[24]．图7是预混燃烧模式下燃烧室压力脉动的STFT结果．

如图7所示，燃烧室压力脉动变化过程与压力迹线所获信息类似，主要呈现稳定、增长以及非线性极限循环3个阶段．其在稳定燃烧阶段的压力脉动呈现不连续的低频、低幅值脉动；随后燃烧室压力脉动频率突然增高，进入燃烧不稳定线性增长阶段，其频率幅值随时间逐渐增加，直至达到峰值，并最终形成非线性极限循环．在表2所示工况下，燃烧室稳定燃烧时间介于0.029～0.035s，燃烧不稳定增长时间介于0.016～0.025s，两者均在毫秒量级，表明燃烧不稳定形成过程极其迅速．

保持燃烧室入口总流量不变，调整燃烧室空燃比，燃烧室压力脉动在稳定燃烧阶段出现不连续的低频、低幅脉动特征，且在空燃比增加时，其在稳定燃烧阶段低频脉动幅值相对增加，低频、低幅值压力脉动持续时间增加．

定义首次出现振荡主频信号时刻与压力脉动幅值达到峰值时刻的时间差为燃烧不稳定增长时间z．图8是预混燃烧模式下调整燃烧室空燃比对燃烧不稳定形成过程的影响规律．如图8所示，保持燃烧室入口燃气总流量不变，调整空燃比燃烧室稳定燃烧时间缩短10.6%～16.4%；由39.050增加至44.145时，燃烧室燃烧不稳定性增长时间缩短了22.7%，燃烧稳定性相对变差；空燃比由39.050降低至34.991时，燃烧不稳定增长时间增加了18.7%，燃烧稳定性相对增强．

图8 空燃比对燃烧不稳定形成过程的影响规律

综上，在预混燃烧模式下，调整燃烧室空燃比，不仅影响燃烧室压力脉动频率特性，还影响燃烧室燃烧不稳定的形成过程．这主要是因为燃烧室空燃比的变化改变了燃烧室预混旋流燃烧的释热率，进一步影响了燃烧室释热率和燃烧室压力脉动之间的相互反馈过程，改变了燃烧室涡旋脉动特性，导致燃烧室压力脉动频率以及燃烧室燃烧稳定性的形成过程发生变化．

3 结 论

(1) 扩散燃烧模式下，保持燃烧室入口流量不变，调整燃烧室空燃比，燃烧室压力脉动主频及其脉动幅值变化较小，燃烧相对稳定．

(2) 预混燃烧模式下，保持燃烧室入口流量不变，调整空燃比，燃烧室压力幅值变化较小；但增加空燃比，燃烧室压力脉动主频及其倍频均降低；减小空燃比，燃烧室压力脉动主频及其倍频均增加．

(3) 调整燃烧室空燃比会影响预混燃烧不稳定形成过程．增加空燃比，燃烧不稳定性增长时间缩短；减小空燃比，其燃烧不稳定性增长时间增加．

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Numerical Study on Influences of Air-fuel Ratio on Combustion Instability in Gas Turbine Combustor

Wang Wei，Xiao Junfeng，Gao Song，Wang Feng，Li Xiaofeng，Hu Mengqi

(Gas Turbine Department，Xi’an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd，Xi’an 710054，China)

Based on one type of gas turbine swirl combustor，a full-size three-dimensional numerical model of combustor is established，and the influences of air-fuel ratio on the diffusion and premixed combustion stability are studied numerically．Results show that in the diffusion combustion mode，the adjustment of air-fuel ratio has less influences on the main frequency of pressure fluctuation in the combustor and the combustion stability when the total gas flow at the combustor inlet is kept constant．In the premixed combustion mode，as the air-fuel ratio varies，the amplitude of pressure fluctuation in the combustor changes slightly when the total gas flow at the combustor inlet is kept constant. However，as the air-fuel ratio increases，the main frequency of pressure fluctuation in the combustor is reduced，the combustion instability growth time is shortened，and the combustion stability weakens relatively. As the air fuel ratio decreases，the main frequency of pressure fluctuation in the combustor increases，its combustion instability growth time also increases，and the combustion stability is relatively strengthened．

gas turbine combustor；combustion instability；air-fuel ratio；combustion instability growth time；combustion tuning

TK121

A

1006-8740(2019)05-0439-06

10.11715/rskxjs.R201812008

2019-04-04.

华能集团总部科技项目(HNKJ17-H17).

王 玮（1985—  ），男，博士，wangweia@tpri.com.cn.

肖俊峰，男，硕士，研究员，xiaojunfeng@tpri.com.cn.